Время вспять, или Физик, физик, где ты был - Анатоль Абрагам

Постепенно Шапелье удалился от нас (это было в начале семидесятых годов), чтобы работать в области низких температур, но в первых наблюдениях ядерного магнитного порядка он был главным действующим лицом.

Деятельность Гольдмана оставалась тесно связанной с моей собственной до моего ухода в 1985 году. Он прослужил четырнадцать лет моим заместителем на кафедре в Коллеже. Его вклад в теорию ядерного магнитного порядка неоценим: там мало пунктов, в которых бы он не принимал участия. Мы написали вместе обширную монографию, которая вышла в свет в 1982 году под заглавием «Ядерный магнетизм: порядок и беспорядок» (Nuclear magnetism: order and disoder; имеется русский перевод). Там мы рассматривали лишь области ядерного магнетизма, к которым испытывали влечение, что объясняет отсутствие биохимических и медицинских применений ЯМР. Львиная доля была отдана спиновой температуре, динамической ядерной поляризации и, конечно, ядерному магнитному порядку, который я впредь буду сокращать в ЯМП. Теории ЯМП посвящена целая глава, где Гольдман больше напирал на строгость, а я — на ясность.

В 1976 году Гольдману была присуждена Гольвековская премия (через 18 лет после меня и через пять лет после Соломона), и в 1986 году он был избран членом-корреспондентом нашей академии. И то, и другое доставило мне большое удовольствие. Среди физиков его поколения Гольдман занимает особое место. Его физическая интуиция, которая опирается на прекрасную теоретическую подготовку, его постоянное стремление к научной строгости, наши общие вкусы и интересы вместе с весьма различным подходом к проблемам — все вместе сделало его идеальным товарищем в нашем долгом совместном путешествии по ядерному магнетизму. Я мечтал, чтобы он занял кафедру, когда я уйду. Мои коллеги решили иначе. Не знаю, надоел ли им ЯМР или физика вообще, но, как я уже говорил, меня сменил специалист по геодинамике.

Прежде всего, надо было выбрать подходящий образец, в котором мы могли бы создать и наблюдать ЯМП. В 1965 году мы умели поляризовать разные вещества, содержащие водород, служившие нам материалом для поляризованных мишеней, но мы отбросили их с самого начала, потому что их структура была так сложна и так мало исследована, что даже если бы нам удалось; создать в них ЯМП, мы не смогли бы в этом убедиться методами ЯМР. Вместо этого мы выбрали монокристалл фтористого кальция CaF2, в котором ядра фтора 19F co спином (1/2) составляют простую кубическую решетку, а ядра кальция, за исключением редкого изотопа, к которому мы вернемся позже, имеют нулевой спин. Так как форма упорядоченных состояний зависит от ориентации внешнего поля по отношению к осям кристалла, необходимо было пользоваться монокристаллами. Гольдман рассчитал все структуры, которые могли возникнуть при разных ориентациях внешнего поля, для обоих знаков спиновой температуры, пользуясь приближенным методом локального среднего поля Вейсса (Weiss).

Следующим шагом явился выбор парамагнитных примесей, которые исполняли бы обязанности царя Соломона по отношению к ядерным спинам фтора. Последовал долгий период испытаний в этом качестве трехвалентного урана, с которым ядерные поляризации в 30 % были достигнуты в 1966 году и в 50 % в 1967. Решающим шагом явилась замена трехвалентного урана двухвалентным туллием и, что было еще важнее, понижение температуры решетки до 0,3 K. Это было достигнуто с криостатом на жидком 3Hе, который Шапелье нахально состряпал за шесть месяцев, не имея в этом деле никакого предварительного опыта. Третьим новшеством было удвоение микроволновой частоты, употребляемой в ДЯП: длина волны была укорочена от четырех миллиметров до двух. Ядерная поляризация спинов 19F достигла 60 %, а позже и всех 90 %. Проделав на них АРВС, мы, наконец, увидели плато на кривой зависимости спиновой поперечной магнитной восприимчивости от дипольной энергии. Согласно предсказаниям, сделанным Гольдманом, это был безошибочный признак ядерного антиферромагнетизма.

Итак в 1969 году, через четыре года после начала нашего предприятия, Шапелье, Гольдман, Вю-Гоанг-Шо (молодой аспирант) и я опубликовали описание того, чего никто еще не видел, — создания и наблюдения ядерного антиферромагнитного состояния.

Среди работ по ЯМП во фтористом кальции за следующие годы самой интересной я считаю обнаружение ферромагнетизма с доменной структурой. Согласно теории такая структура должна существовать при отрицательной спиновой температуре, когда внешнее поле направлено вдоль оси [111] (вместо оси [100] при наблюдении антиферромагнетизма). Возник нелегкий вопрос, как отличить безошибочно и бесспорно доменный ферромагнетизм от антиферромагнетизма.

В антиферромагнитной структуре, упомянутой раньше, ядерные спины находятся в соседних атомных плоскостях, поочередно параллельны и антипараллельны внешнему полю, как в двух-подрешеточной модели Нееля. Спины фтора, параллельные полю, дают положительный сигнал ЯМР, спины антипараллельные дают сигнал такой же величины, но обратного знака; эти сигналы не компенсируют друг друга, потому что смещены друг относительно друга локальным (вейссовским) полем, которое имеет обратный знак в каждой подрешетке. Ферромагнитная доменная структура состоит из доменов в форме плит, перпендикулярных к внешнему полю, с намагниченностью, тоже поочередно параллельной и антипараллельной этому полю. Толщина каждой плиты имеет порядок нескольких сотен межатомных расстояний; легко убедиться, что «положительные» и «отрицательные» плиты тоже должны давать сигналы ЯМР с противоположным знаком, смещенные по отношению друг к другу и фактически неотличимые от сигналов, наблюдаемых в антиферромагнитном состоянии (теория предсказывает малую, но фактически ненаблюдаемую разницу между расстояниями пиков в этих двух структурах). Прямыми методами ЯМР их нельзя было различить.*

Мы сумели их распознать благодаря существованию редкого изотопа кальция 43Ca с концентрацией 0,13 %. В антиферромагнитной структуре все спины 43Ca «видят» одно и тоже локальное поле, создаваемое фторами, в то время как в доменной ферромагнитной структуре спины кальция, которые «сидят» в доменах с противоположными знаками, «видят» локальные фторные поля обратного знака. Из этого следует, что сигнал зеемановского ЯМР 43Ca состоит из одной единственной линии при антиферромагнитной структуре, но расщепляется на две в доменной ферромагнитной, что, конечно, нельзя не заметить, как нос посреди лица (le nez au milieu de la figure). Признаюсь, что это один из моих любимых экспериментов.